Uma equipe de pesquisa da Florida State University sintetizou recentemente um material cristalino totalmente novo. Seus spins atômicos internos não estão mais organizados como os ímãs tradicionais, mas formam uma "textura de spin" semelhante a um vórtice que se repete regularmente. Ele exibe um comportamento magnético completamente diferente dos materiais magnéticos convencionais. Espera-se que ele sirva armazenamento de dados de alta densidade, dispositivos eletrônicos de baixo consumo de energia e futura tecnologia de informação quântica.
Os pesquisadores usaram uma estratégia engenhosa de “competição de estruturas”: misturar dois compostos com composições químicas semelhantes, mas simetrias cristalinas diferentes – um composto de manganês, cobalto e germânio, e outro composto de manganês, cobalto e arsênico, que são vizinhos na tabela periódica. As duas estruturas cristalinas não podem permanecer completamente estáveis na junção dos componentes ao mesmo tempo, resultando na chamada “frustração estrutural”. Essa instabilidade é “traduzida” em “frustração” magnética no nível microscópico, forçando os spins atômicos a se distorcerem e, eventualmente, se organizarem espontaneamente em padrões de vórtices periódicos dentro do cristal.
Nos ímãs convencionais, um grande número de spins atômicos aponta perfeitamente na mesma direção, como pequenas setas, ou em um simples arranjo antiparalelo, criando o familiar magnetismo macroscópico usado em dispositivos como discos rígidos de computadores e smartphones. Nos novos materiais descobertos pela equipe de pesquisa científica neste trabalho, os spins não mais simplesmente se alinham, mas formam estruturas mais complexas, semelhantes a anéis e onduladas, as chamadas "texturas de spin", incluindo configurações espirais ou cicloidais semelhantes a "skyrmions". Este tipo de estrutura de spin topológico é um ponto de pesquisa de ponta nas áreas de física da matéria condensada e química de materiais.
Para determinar esta estrutura magnética semelhante ao skyrmion, a equipe usou a instalação do usuário "Splash Neutron Source" do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA para realizar medições precisas na amostra no difratômetro de nêutrons de cristal único TOPAZ, e combinou-o com processamento de dados recentemente desenvolvido e ferramentas de aprendizado de máquina para analisar a complexa estrutura magnética com alta confiança. Os pesquisadores apontaram que essa capacidade lhes permite não apenas “descobrir” estranhas texturas de spin, mas também avançar no sentido de “projetar e otimizar” essas estruturas magnéticas sob demanda, proporcionando um novo caminho para o design de materiais em tecnologia da informação e quântica.
Do ponto de vista das perspectivas de aplicação, este tipo de material com textura de spin semelhante ao skyrmion é considerado promissor para o desenvolvimento de discos rígidos ou mídias de armazenamento com maior densidade de informação e melhoria da eficiência de transmissão de elétrons. Como a energia necessária para controlar os skyrmions através de campos magnéticos é extremamente baixa, espera-se que sua introdução em dispositivos eletrônicos ou spintrônicos reduza significativamente o consumo de energia. Especialmente em grandes sistemas de supercomputação com milhares ou mesmo dezenas de milhares de processadores, as economias em custos de energia e refrigeração podem ser extremamente consideráveis.
Além disso, os pesquisadores acreditam que essa ideia de design baseada na “frustração estrutural” também pode fornecer pistas para encontrar materiais que possam ser usados para construir qubits “tolerantes a falhas”. A chamada computação quântica tolerante a falhas refere-se ao uso de materiais e projetos estruturais para permitir que informações quânticas sejam armazenadas e operadas de forma estável em ambientes reais com ruído e erros. É considerado o "Santo Graal" do processamento de informações quânticas, e materiais complexos de textura de spin são considerados um caminho potencial para concretizar tal solução.
Diferente da rota anterior que se baseava mais na “caça de materiais”, esta pesquisa enfatiza uma espécie de “pensamento químico”: não mais apenas “buscar” candidatos com simetria específica na biblioteca de materiais conhecidos, mas partir da relação intrínseca entre estrutura e spin, projetando ativamente a combinação de ingredientes e estrutura cristalina para induzir a textura magnética esperada. A equipa de investigação afirmou que espera construir uma capacidade preditiva - ao definir antecipadamente a combinação de elementos e estruturas, podem deduzir possíveis novos materiais e as suas características magnéticas no papel, em vez de depender apenas de tentativa e erro experimental.
Um benefício adicional importante deste método é que se espera expandir enormemente a seleção de matérias-primas que podem ser usadas para produzir texturas de spin semelhantes a skyrmion, encontrando assim um sistema de material com custos mais baixos, crescimento de cristal mais fácil e uma cadeia de fornecimento mais robusta, que é mais propícia para futuras aplicações de tecnologia em grande escala. Os resultados relacionados foram publicados no Journal of the American Chemical Society sob o título "O surgimento de texturas de spin semelhantes a skyrmion em materiais originados de frustração estrutural." As instalações de pesquisa utilizadas incluem a plataforma experimental da Florida State University e as instalações de dispersão de nêutrons do Oak Ridge National Laboratory, e foram financiadas pela National Science Foundation.
Compilado de /ScitechDaily